JP2007147934A - Optical controller and optical control system using same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reflection type optical controller which is improved in the availability of light rays. <P>SOLUTION: The optical controller 100 has a substrate 300, a first reflective layer 32, an optical modulation film 34 which varies in refractive index with an applied electric field, a transparent electrode 36, and a second reflective layer 102 having such reflection characteristics that a reflection band and a transmission band are abruptly switched at a specified wavelength. A Fabri-Perot resonator comprising the first reflective layer 32, optical modulation film 34, transparent electrode 26, and second reflective layer 102 has its resonance wavelength set almost to the specified wavelength. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界の印加により屈折率が変化する電気光学材料を用いた光制御装置およびそれを用いた光制御システムに関する。   The present invention relates to a light control device using an electro-optical material whose refractive index changes with application of an electric field, and a light control system using the same.

近年、大容量の記録方式として、ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムが知られている(たとえば特許文献1)。   In recent years, as a large-capacity recording method, a digital information recording system using the principle of a hologram is known (for example, Patent Document 1).

ホログラム記録装置の空間光変調器の材料としては、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛(以下、PLZTという)等の電気光学効果を有するものを用いることができる。PLZTは、(Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を空間光変調器等の光シャッターに適用することができる。 As a material for the spatial light modulator of the hologram recording apparatus, a material having an electro-optic effect such as lead lanthanum zirconate titanate (hereinafter referred to as PLZT) can be used. PLZT is a transparent ceramic having a composition of (Pb 1-y La y ) (Zr 1-x Ti x ) O 3 . The electro-optic effect is a phenomenon in which when an electric field is applied to a substance, the substance is polarized and the refractive index changes. When the electro-optic effect is used, the phase of light can be switched by turning on and off the applied voltage. Therefore, a light modulation material having an electro-optic effect can be applied to an optical shutter such as a spatial light modulator.

こうした光シャッター等の素子への適用においては、従来、バルクのPLZTが広く利用されてきた(たとえば特許文献2)。しかし、バルクPLZTを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減や低コスト化の要請に応えることは困難である。また、バルクのPLZTを製造するバルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、1000℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。   Conventionally, bulk PLZT has been widely used for such applications as optical shutters (for example, Patent Document 2). However, it is difficult for optical shutters using bulk PLZT to meet demands for miniaturization and integration, as well as reductions in operating voltage and cost. In addition, since the bulk method for producing bulk PLZT includes a step of processing at a high temperature of 1000 ° C. or higher after mixing raw material metal oxides, when applied to an element formation process, selection of materials and element structure Many restrictions will be added.

こうしたことから、バルクPLZTに代え、基材上に形成した薄膜のPLZTを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献3には、ガラス等の透明基板上にPLZT膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が記載されている。この表示装置は、PLZT膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
特開2002−297008号公報 特開平5−257103号公報 特開平7−146657号公報
For this reason, attempts are being made to apply PLZT, which is a thin film formed on a substrate, to a light control element instead of bulk PLZT. Patent Document 3 describes a display device in which a PLZT film is formed on a transparent substrate such as glass and a comb-shaped electrode is provided thereon. This display device has a configuration in which polarizing plates are provided on both surfaces of a display substrate on which a PLZT film is formed. Here, by connecting the electrode terminal portion of each pixel to an external drive circuit, a desired pixel is driven, and a desired display can be performed by transmitted light from a light source provided on one surface side of the display substrate. It can be done.
JP 2002-297008 A JP-A-5-257103 Japanese Patent Laid-Open No. 7-146657

しかし、上述したようなPLZT膜等の光変調膜を光シャッター等の素子として実用化するためには、光変調膜へ印加する電圧のオン、オフを制御するためのドライブ回路を光変調膜とともに基板上に作り込む必要がある。その場合、上記特許文献3に記載されたような構成では、ドライブ回路が形成された領域を表示領域として用いることができず、有効な表示領域を充分とることができないという問題がある。   However, in order to put a light modulation film such as a PLZT film as described above into practical use as an element such as an optical shutter, a drive circuit for controlling on / off of a voltage applied to the light modulation film is used together with the light modulation film. It needs to be built on the substrate. In that case, the configuration described in Patent Document 3 has a problem that the area where the drive circuit is formed cannot be used as a display area, and an effective display area cannot be sufficiently obtained.

また、上述したような透過型の表示装置では、照射光として可視光を利用する場合、ドライブ回路を可視光に対して不透明なシリコン等の基板上に形成することができないという問題もあった。さらに、特許文献3に記載の表示装置では、偏光板を用いるために、偏光板による光の損失が発生してしまう。   Further, in the transmissive display device as described above, when visible light is used as irradiation light, there is a problem that the drive circuit cannot be formed on a substrate such as silicon that is opaque to visible light. Furthermore, in the display device described in Patent Document 3, since a polarizing plate is used, light loss due to the polarizing plate occurs.

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、光の利用効率を向上した反射型の光制御装置およびそれを用いた光制御システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a reflection-type light control device with improved light utilization efficiency and a light control system using the same.

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光制御装置は、基板と、基板上に設けられた第1の反射層と、第1の反射層上に設けられ、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、前記光変調膜上に設けられた透明電極と、透明電極上に設けられ、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有する第2の反射層と、を備え、第1の反射層と、光変調膜と、透明電極と、第2の反射層と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長と、所定の波長とが略同一になるように設定した。   In order to solve the above problems, a light control device according to an aspect of the present invention includes a substrate, a first reflective layer provided on the substrate, and an electric field provided on the first reflective layer. A light modulation film whose refractive index changes in response, a transparent electrode provided on the light modulation film, and a reflection characteristic which is provided on the transparent electrode and in which a reflection band and a transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength. A resonant wavelength of a Fabry-Perot resonator including a first reflective layer, a light modulation film, a transparent electrode, and a second reflective layer, and a predetermined wavelength. Are set to be substantially the same.

この態様によると、第1、第2の反射層で光変調膜および透明電極を挟むことにより、外部から入射した光が2つの反射層間で多重反射するファブリペロー型の共振器が構成される。光変調膜に印加する電界を変化させることにより、光変調膜の屈折率を変化させ、この共振器の共振波長をシフトさせることができ、光制御装置の上面から入射された光が反射する光量を制御することができる。このとき、第2の反射層の反射特性が、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わるように形成し、この所定の波長が共振波長と略同一となるように設定することによって、共振波長がシフトしたときの反射率の変化が大きくなるようにすることができる。この結果、光制御装置のオンオフ比を向上し、光の利用効率を向上することが出来る。   According to this aspect, the Fabry-Perot resonator in which light incident from the outside is multiply reflected between the two reflective layers is configured by sandwiching the light modulation film and the transparent electrode between the first and second reflective layers. By changing the electric field applied to the light modulation film, the refractive index of the light modulation film can be changed, the resonance wavelength of this resonator can be shifted, and the amount of light reflected from the top surface of the light control device Can be controlled. At this time, the reflection characteristic of the second reflective layer is formed so that the reflection band and the transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength, and the predetermined wavelength is set to be substantially the same as the resonance wavelength. The change in reflectance when the resonance wavelength is shifted can be increased. As a result, the on / off ratio of the light control device can be improved and the light utilization efficiency can be improved.

所定の波長をλと、光変調膜の屈折率をnと、透明電極の屈折率をnと、透明電極の膜厚をtと、光制御装置に入射する光の入射角をθと、透明電極から光変調膜に入射する光の入射角をθと、第1の反射層で反射する光の位相変化量をφと、mを次数としたときに、光変調膜の膜厚tが、

Figure 2007147934
となるように設定してもよい。このとき、共振波長と所定の波長とを略同一とすることができる。 And a predetermined wavelength lambda c, and the refractive index of the light modulating film n p, the refractive index and n i of the transparent electrode, and t i the thickness of the transparent electrodes, the incident angle of the light entering the light control apparatus The light modulation film when θ i is the incident angle of light incident on the light modulation film from the transparent electrode, θ p , the phase change amount of the light reflected by the first reflection layer is φ, and m is the order. the film thickness t p is,
Figure 2007147934
You may set so that. At this time, the resonance wavelength and the predetermined wavelength can be made substantially the same.

次数mは、4≦m≦10の範囲の整数であってもよい。光制御装置のオンオフ比は、光変調膜の膜厚に比例して増加する。但し、光変調膜の膜厚が大きくなりすぎると、十分な屈折率変化を得るためにより大きな電界を印加しなければならなくなる。光変調膜の膜厚を上記のように設定した場合、好適な印加電圧で高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。   The order m may be an integer in the range of 4 ≦ m ≦ 10. The on / off ratio of the light control device increases in proportion to the film thickness of the light modulation film. However, if the thickness of the light modulation film becomes too large, a larger electric field must be applied in order to obtain a sufficient refractive index change. When the film thickness of the light modulation film is set as described above, a high on / off ratio can be realized with a suitable applied voltage, and the light use efficiency can be improved.

第2の反射層は、屈折率の異なる複数の誘電体膜の積層構造を有してもよい。屈折率の異なる誘電体膜を積層して第2の反射層を形成することにより、積層する層数、誘電体膜の材料によって反射率を精度良く制御することができる。   The second reflective layer may have a stacked structure of a plurality of dielectric films having different refractive indexes. By laminating dielectric films having different refractive indexes to form the second reflective layer, the reflectance can be accurately controlled by the number of layers to be laminated and the material of the dielectric film.

複数の誘電体膜の少なくとも1つは、シリコン酸化膜であってもよい。また、複数の誘電体膜の少なくとも1つは、シリコン窒化膜であってもよい。シリコン酸化膜やシリコン窒化膜として形成する場合、通常のシリコン半導体製造プロセスの成膜技術をそのまま適用することができる。   At least one of the plurality of dielectric films may be a silicon oxide film. Further, at least one of the plurality of dielectric films may be a silicon nitride film. In the case of forming as a silicon oxide film or a silicon nitride film, a film forming technique of a normal silicon semiconductor manufacturing process can be applied as it is.

第2の反射層の誘電体膜の積層数は、19層以上かつ23層以下であってもよい。このとき、共振波長のシフト量と反射率変化の急峻さとのバランスがとれ、好適に高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。   The number of laminated dielectric films of the second reflective layer may be 19 or more and 23 or less. At this time, a balance between the shift amount of the resonance wavelength and the steepness of the reflectance change can be achieved, a suitably high on / off ratio can be realized, and light utilization efficiency can be improved.

光変調膜は、印加した電界の2乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されてもよい。電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。   The light modulation film may be formed of an electro-optic material whose refractive index changes in proportion to the square of the applied electric field. The electro-optic material may be lead zirconate titanate or lead lanthanum zirconate titanate.

上述の光制御装置は、半導体基板上に形成されてもよい。この場合、半導体基板に光制御装置の制御回路を集積化して形成することができるので、光制御装置とその制御回路の小型化を図ることができる。   The light control device described above may be formed on a semiconductor substrate. In this case, since the control circuit of the light control device can be integrated and formed on the semiconductor substrate, the light control device and the control circuit can be downsized.

本発明の別の態様は、光制御システムである。この光制御システムは、上述の光制御装置と、光制御装置に光を照射する発光部と、光制御装置から出射される光を受ける受光部と、を備える。この態様によると、たとえばホログラム記録装置や、表示装置を実現することができる。   Another aspect of the present invention is a light control system. The light control system includes the light control device described above, a light emitting unit that emits light to the light control device, and a light receiving unit that receives light emitted from the light control device. According to this aspect, for example, a hologram recording device or a display device can be realized.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between methods, systems, etc. are also effective as an aspect of the present invention.

本発明に係る光制御装置によれば、光の利用効率を向上することができる。   With the light control device according to the present invention, the light use efficiency can be improved.

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る光制御装置の概要を説明する。この光制御装置は、外部からの電圧印加によって反射率が変化する光制御装置である。この光制御装置は、ファブリーペロー型の共振器構造を有し、電界の印加に応じて屈折率の変化する光変調膜と、この光変調膜を挟むようにして形成される2層の反射層を備える。光制御装置に光を入射した状態で、制御信号を与えると、光制御装置の反射率を変化させることができ、反射される光の強度を制御することができる。光制御装置により反射された光は、反射率に比例した強度を有するため、この反射光を記録媒体あるいは光検出素子等により記録、検出することにより、様々なアプリケーションに利用することができる。
(First embodiment)
An outline of the light control apparatus according to the first embodiment will be described. This light control device is a light control device in which the reflectance is changed by applying an external voltage. This light control device has a Fabry-Perot resonator structure, and includes a light modulation film whose refractive index changes in response to application of an electric field, and two reflective layers formed so as to sandwich the light modulation film. . When a control signal is given in a state where light is incident on the light control device, the reflectance of the light control device can be changed, and the intensity of the reflected light can be controlled. Since the light reflected by the light control device has an intensity proportional to the reflectance, it can be used for various applications by recording and detecting the reflected light with a recording medium or a light detection element.

図1は、第1の実施の形態に係る光制御装置10の断面図である。光制御装置10は、基板30と、第1反射層32と、光変調膜34と、透明電極36と、第2反射層40と、を備える。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a light control apparatus 10 according to the first embodiment. The light control device 10 includes a substrate 30, a first reflective layer 32, a light modulation film 34, a transparent electrode 36, and a second reflective layer 40.

第1の実施の形態に係る光制御装置10は、基板30上に形成される。この基板30の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。たとえばシリコンなどの半導体基板からなる基板30であれば、基板上にスイッチング素子を設け、その上に光制御装置10を形成してもよい。この場合、光制御装置10とその制御回路の小型化を図ることができる。   The light control device 10 according to the first embodiment is formed on the substrate 30. As a material for the substrate 30, glass, silicon, or the like having a flat surface can be suitably used. For example, in the case of the substrate 30 made of a semiconductor substrate such as silicon, a switching element may be provided on the substrate, and the light control device 10 may be formed thereon. In this case, the light control device 10 and its control circuit can be downsized.

基板30上には、第1反射層32が形成される。第1反射層32の材料としては、たとえばPtなどの金属材料を好適に用いることができる。第1反射層32の厚みは、200nm程度とする。第1の実施の形態において、第1反射層32はPtで形成され、この第1反射層32は、後述するように光変調膜34に電界を印加する電極としても機能する。第1反射層32をPtで形成した場合、第1反射層32の反射率は50%から80%程度となる。   A first reflective layer 32 is formed on the substrate 30. As a material of the first reflective layer 32, for example, a metal material such as Pt can be suitably used. The thickness of the first reflective layer 32 is about 200 nm. In the first embodiment, the first reflective layer 32 is made of Pt, and the first reflective layer 32 also functions as an electrode for applying an electric field to the light modulation film 34 as will be described later. When the first reflective layer 32 is made of Pt, the reflectance of the first reflective layer 32 is about 50% to 80%.

第1反射層32の上面には光変調膜34が設けられる。この光変調膜34の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、PLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、LiNbO、GaA−MQW、SBN((Sr,Ba)Nb)等を用いることができるが、特にPLZTが好適に用いられる。 A light modulation film 34 is provided on the upper surface of the first reflective layer 32. As the material of the light modulation film 34, a solid electro-optic material whose refractive index changes according to the applied electric field is selected. As such an electro-optical material, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), PZT (lead zirconate titanate), LiNbO 3 , GaA-MQW, SBN ((Sr, Ba) Nb 2 O 6 ) or the like is used. In particular, PLZT is preferably used.

光変調膜34の膜厚tは、入射光の入射角および波長に応じて決定され、たとえば入射光を650nm付近の赤色光とした場合、500nmから1500nmの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜34に印加される電界は、膜の厚み方向に印加されるため、膜厚tを1500nm以下とすることで、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが容易となる。また、膜厚tを500nm以上とすることで、十分な光学膜厚変化を得ることができる。 Thickness t p of the light modulating film 34 is determined according to the incident angle and the wavelength of the incident light, for example, when the incident light was red light near 650 nm, it is desirable to form in the range of 500nm to 1500 nm. As described later, the electric field applied to the light modulating film 34, to be applied in the thickness direction of the film, with a thickness t p and 1500nm or less, applying an electric field to obtain a sufficient refractive index change Easy to do. Further, by setting the thickness t p and above 500 nm, it is possible to obtain a sufficient optical film thickness change.

光変調膜34の上面には、透明電極36が設けられる。透明電極36は、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnO、IrOなどにより形成することができる。透明電極36をITOやZnOで形成した場合、その膜厚tは100nm〜150nm程度とする。IrOで形成する場合には、膜厚tをより薄く、例えば50nm程度とすることが望ましい。この透明電極36は、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その膜厚tは実験的に定めてもよい。 A transparent electrode 36 is provided on the upper surface of the light modulation film 34. The transparent electrode 36 can be formed of, for example, ITO (Indium Tin Oxide), ZnO, IrO 2 or the like. If the transparent electrode 36 formed of ITO or ZnO, the thickness t i is set to about 100 nm to 150 nm. In the case of forming with IrO 2 , it is desirable that the film thickness t i be thinner, for example, about 50 nm. Since the transparent electrode 36 has a trade-off relationship between the resistance value and the transmittance, the film thickness t i may be determined experimentally.

透明電極36の上面には、第2反射層40が形成される。この第2反射層40は、誘電体多層膜によって形成され、屈折率の異なる第1誘電体膜42、第2誘電体膜44が交互に積層される。以下においては、屈折率が大きい方の誘電体膜の屈折率をnと、屈折率が小さい方の誘電体膜の屈折率をnと表す。第1誘電体膜42、第2誘電体膜44の材料の組み合わせとしては、SiO(n=1.48)、Si(n=2.0)を用いることができる。誘電体多層膜をシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で形成する場合、シリコン半導体集積回路の製造プロセスおよび製造装置をそのまま使用することができる。 A second reflective layer 40 is formed on the upper surface of the transparent electrode 36. The second reflective layer 40 is formed of a dielectric multilayer film, and first dielectric films 42 and second dielectric films 44 having different refractive indexes are alternately stacked. In the following, a refractive index n H of the dielectric film having a larger refractive index, the refractive index of the dielectric film towards refractive index lower expressed as n L. As a combination of materials of the first dielectric film 42 and the second dielectric film 44, SiO 2 (n L = 1.48) and Si 3 N 4 (n H = 2.0) can be used. When the dielectric multilayer film is formed of a silicon oxide film and a silicon nitride film, the manufacturing process and manufacturing apparatus for the silicon semiconductor integrated circuit can be used as they are.

誘電体多層膜は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成することができる。SiO膜は、TEOS、O雰囲気中で温度200℃の条件で成長させ、Si膜は、SiH、NH雰囲気中で温度200℃の条件で好適に成長させることができる。また、誘電体多層膜は、イオンビームスパッタ法により形成してもよい。 The dielectric multilayer film can be formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The SiO 2 film can be grown in a TEOS, O 2 atmosphere at a temperature of 200 ° C., and the Si 3 N 4 film can be preferably grown in a SiH 4 , NH 3 atmosphere at a temperature of 200 ° C. The dielectric multilayer film may be formed by ion beam sputtering.

第1誘電体膜42、第2誘電体膜44のそれぞれの1層分の膜厚dは、光制御装置10に入射する光の波長をλ、誘電体膜の屈折率をnとすると、d=λ/(n×4)となるように調節する。   The film thickness d for one layer of each of the first dielectric film 42 and the second dielectric film 44 is expressed as follows, where λ is the wavelength of light incident on the light control device 10 and n is the refractive index of the dielectric film. = Λ / (n × 4).

たとえば、光制御装置10に波長が650nmの赤色のレーザ光が用いられる場合には、第1誘電体膜42の膜厚d1は、その材料としてSiO(n=1.48)とした場合、d1=633/(4×1.48)=109nm程度とする。また、第2誘電体膜44の膜厚d2は、材料としてSi(n=2.0)を用いた場合、d2=650/(4×2)=81nm程度とする。第2反射層40を構成する誘電体膜の厚みd1、d2は、必ずしも厳密にλ/(n×4)に設計されている必要はない。 For example, when red laser light having a wavelength of 650 nm is used for the light control device 10, the film thickness d1 of the first dielectric film 42 is SiO 2 (n = 1.48) as the material. d1 = 633 / (4 × 1.48) = about 109 nm. The film thickness d2 of the second dielectric film 44 is about d2 = 650 / (4 × 2) = 81 nm when Si 3 N 4 (n = 2.0) is used as the material. The thicknesses d1 and d2 of the dielectric films constituting the second reflective layer 40 are not necessarily designed to be strictly λ / (n × 4).

誘電体膜の材料としてはシリコン窒化膜に替えて、TiO(n=2.2)を用いてもよい。この場合、第2誘電体膜44の厚みd2は、d2=650/(4×2.2)=73nm程度とする。 As a material of the dielectric film, TiO 3 (n = 2.2) may be used instead of the silicon nitride film. In this case, the thickness d2 of the second dielectric film 44 is about d2 = 650 / (4 × 2.2) = 73 nm.

図1において、光変調膜34から第2反射層40に入射する光の反射率R2は、光変調膜34から第1反射層32に入射する光の反射率R1と等しくなるように設計するのが好ましい。反射率R1は、第1反射層32に用いる金属材料によって定まり、Ptを選択する場合、上述したように50〜80%となる。   In FIG. 1, the reflectance R2 of light incident on the second reflective layer 40 from the light modulation film 34 is designed to be equal to the reflectance R1 of light incident on the first reflective layer 32 from the light modulation film 34. Is preferred. The reflectance R1 is determined by the metal material used for the first reflective layer 32. When Pt is selected, the reflectance R1 is 50 to 80% as described above.

従ってこのとき、反射率R2も50〜80%となるように設計する。第2反射層40は、誘電体多層膜によって構成されるため、その反射率R2は入射する光の波長によって変化する。後述するように、光制御装置10の第1反射層32、光変調膜34、透明電極36および第2反射層40は、ファブリーペロー型の共振器を構成し、共振波長λを有する。第1の実施の形態に係る光制御装置10においては、少なくともこの共振波長λ周辺の波長帯域において、反射率R2がほぼ一定となるように第2反射層40を形成する。例えば、第1反射層32の反射率R1が80%であり、共振波長λが650nmの場合には、600〜700nm程度の範囲において、第2反射層40の反射率R2が80%となるように設定するのが好ましい。 Therefore, at this time, the reflectance R2 is designed to be 50 to 80%. Since the second reflective layer 40 is composed of a dielectric multilayer film, the reflectance R2 varies depending on the wavelength of incident light. As described below, the first reflective layer 32 of the light control device 10, the light modulating film 34, the transparent electrode 36 and the second reflecting layer 40 constitutes a Fabry-Perot resonator, having a resonant wavelength lambda m. In the light control device 10 according to the first embodiment, at least in the resonant wavelength lambda m near wavelength bands, to form a second reflective layer 40 such that the reflectance R2 is substantially constant. For example, the reflectivity R1 of the first reflection layer 32 is 80%, when the resonance wavelength lambda m is 650nm, in the range of about 600 to 700 nm, the reflectivity of the second reflective layer 40 R2 is 80% It is preferable to set as follows.

第2反射層40の反射率R2は、第1誘電体膜42、第2誘電体膜44の材料および厚みによって調節することができる。第1の実施の形態においては、図1に示すように、第2反射層40は、第1誘電体膜42および第2誘電体膜44をそれぞれ3層づつ交互に積層している。第2反射層40において、第1誘電体膜42、第2誘電体膜44を積層する順番は逆であってもよい。また、反射率R2を微調節するために、第3の誘電体膜をさらに積層してもよい。   The reflectance R2 of the second reflective layer 40 can be adjusted by the material and thickness of the first dielectric film 42 and the second dielectric film 44. In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the second reflective layer 40 is formed by alternately laminating three first dielectric films 42 and two second dielectric films 44, respectively. In the second reflective layer 40, the order of stacking the first dielectric film 42 and the second dielectric film 44 may be reversed. In order to finely adjust the reflectance R2, a third dielectric film may be further laminated.

第1の実施の形態においては、透明電極36と第1反射層32とが電極対を形成する。第1反射層32の電位は接地電位に固定され、透明電極36の電位は制御部12によって制御される。   In the first embodiment, the transparent electrode 36 and the first reflective layer 32 form an electrode pair. The potential of the first reflective layer 32 is fixed to the ground potential, and the potential of the transparent electrode 36 is controlled by the control unit 12.

制御部12は、光制御装置10に入射した光を変調して出射せしめる制御電圧Vcntを生成し、出力する機能を有する。制御部12は、基板30中に作り込んでもよい。制御電圧Vcntは、ハイレベルVHまたはローレベルVLの2値をとる信号である。ハイレベルVHは、15〜20V程度の電位であり、ローレベルVLは、接地電位と等しい。   The control unit 12 has a function of generating and outputting a control voltage Vcnt that modulates and emits light incident on the light control device 10. The control unit 12 may be built in the substrate 30. The control voltage Vcnt is a signal that takes a binary value of a high level VH or a low level VL. The high level VH is a potential of about 15 to 20 V, and the low level VL is equal to the ground potential.

以上のように構成された光制御装置10の動作について説明する。光制御装置10は、光変調膜34および透明電極36を、第1反射層32、第2反射層40で挟んだ構造となっており、所謂ファブリペロー型の共振器を構成している。ファブリペロー型の共振器である光制御装置10は、入射する光の波長によって反射率Rが変化するという反射特性を有する。光制御装置10の反射率Rは、入射光の強度をIinと、反射光の強度をIoutとするとき、R=Iout/Iinで定義される。光制御装置10の反射率Rが最も小さくなるときの波長を共振波長とよび、λで表す。 The operation of the light control apparatus 10 configured as described above will be described. The light control device 10 has a structure in which the light modulation film 34 and the transparent electrode 36 are sandwiched between the first reflection layer 32 and the second reflection layer 40, and constitutes a so-called Fabry-Perot type resonator. The light control device 10, which is a Fabry-Perot resonator, has a reflection characteristic that the reflectance R changes depending on the wavelength of incident light. The reflectance R of the light control device 10 is defined as R = Iout / Iin, where Iin is the intensity of incident light and Iout is the intensity of reflected light. And a wavelength at which the reflectance of the light control device 10 R is the smallest with the resonant wavelength, expressed in lambda m.

図2は、光制御装置10の共振波長λについて説明するための図である。同図において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付している。図2に示すように、光制御装置10の上方から、入射光130が入射する場合を考える。ここで、透明電極36と第2反射層40の境界面で反射された反射光132と、第1反射層32と光変調膜34の境界面で反射された反射光134に着目する。 FIG. 2 is a diagram for explaining the resonance wavelength λ m of the light control apparatus 10. In the figure, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 2, consider a case where incident light 130 enters from above the light control device 10. Here, attention is focused on the reflected light 132 reflected on the boundary surface between the transparent electrode 36 and the second reflective layer 40 and the reflected light 134 reflected on the boundary surface between the first reflective layer 32 and the light modulation film 34.

反射光132と、反射光134の位相差δは、(1)式のように表される。

Figure 2007147934
(1)式において、nは透明電極36の屈折率、tは透明電極36の膜厚、θは光制御装置10に入射した光の入射角、nは光変調膜34の屈折率、tは光変調膜34の膜厚、θは透明電極36から光変調膜34に入射した光の入射角、λは空気中での光の波長、φは第1反射層32で光が反射するときの位相変化量である。共振波長λは、反射光132、反射光134が弱め合うときなので、次に示す(2)式を満たす必要がある。
Figure 2007147934
(2)式において、mは次数であり、正の整数である。(2)式をλについて変形すると、(3)式のようになり、共振波長λを表すことができる。
Figure 2007147934
The phase difference δ between the reflected light 132 and the reflected light 134 is expressed as in equation (1).
Figure 2007147934
(1) In the equation, the refractive index of n i is the transparent electrode 36, t i is the thickness of the transparent electrode 36, theta i is the angle of incidence of light incident on the light control device 10, n p is the refractive of the light modulating film 34 rate, film thickness of t p is the light modulating film 34, the incident angle of theta p light incident from the transparent electrode 36 to the light modulating film 34, lambda is the wavelength of light in air, phi in the first reflective layer 32 This is the amount of phase change when light is reflected. Since the resonance wavelength λ m is when the reflected light 132 and the reflected light 134 are weakened, it is necessary to satisfy the following equation (2).
Figure 2007147934
In the formula (2), m is an order and is a positive integer. When the equation (2) is modified with respect to λ m , the equation (3) is obtained and the resonance wavelength λ m can be expressed.
Figure 2007147934

上述のように、光変調膜34の屈折率nは、光変調膜34に印加される電界Eに依存する。いま、第1反射層32を接地電位とし、図示しない透明電極36に制御電圧Vcntを印加すると、光変調膜34には、厚み方向に電界E=Vcnt/tが印加される。光変調膜34としてPLZTを用いた場合、光変調膜34の屈折率nの変化量Δnと、印加される電界Eとの間には、
Δn=1/2×(n)×R×E …(4)
の関係が成り立つ。(4)式から分かるように、光変調膜34は、印加される電界の2乗に比例して屈折率が変化する。ここでRは電気光学定数(カー定数)である。
As described above, the refractive index n of the light modulation film 34 depends on the electric field E applied to the light modulation film 34. Now, when the first reflective layer 32 is set to the ground potential and the control voltage Vcnt is applied to the transparent electrode 36 (not shown), an electric field E = Vcnt / t is applied to the light modulation film 34 in the thickness direction. When PLZT is used as the light modulation film 34, the amount of change Δn of the refractive index n of the light modulation film 34 and the applied electric field E are
Δn = 1/2 × (n) 3 × R × E 2 (4)
The relationship holds. As can be seen from the equation (4), the refractive index of the light modulation film 34 changes in proportion to the square of the applied electric field. Here, R is an electro-optic constant (Kerr constant).

図3は、光制御装置10に入射する光の波長λと反射率Rの関係を示す図である。図3に示す(I)は、制御電圧VcntがローレベルVL、すなわち、透明電極36と第1反射層32の電位が同じで、光変調膜34に電界が印加されていないときの光制御装置10の反射特性を示す。このとき、光制御装置10の共振波長はλ1である。制御電圧VcntをハイレベルVHに変化させ、光変調膜34に電界Eを印加すると、(4)式から、光変調膜34の屈折率がnからn+Δnに変化する。光変調膜34の屈折率nが変化した場合、(3)式から、共振波長λも変化し、共振波長がλ1からλ2にシフトする。λ2はλ1より大きい値である。このときの反射特性を図3に(II)で示す。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the wavelength λ of light incident on the light control device 10 and the reflectance R. (I) shown in FIG. 3 is a light control device when the control voltage Vcnt is at a low level VL, that is, when the potential of the transparent electrode 36 and the first reflective layer 32 is the same and no electric field is applied to the light modulation film 34. 10 shows the reflection characteristics. At this time, the resonance wavelength of the light control device 10 is λ m 1. Changing the control voltage Vcnt to the high level VH, an electric field is applied to E on the light modulating film 34, from (4), the refractive index of the light modulating film 34 changes from n p a n p + [Delta] n. If the refractive index n p of the light modulating film 34 changes, the equation (3), also changes the resonance wavelength lambda m, resonant wavelength shifts from lambda m 1 to lambda m 2. λ m 2 is larger than λ m 1. The reflection characteristic at this time is shown by (II) in FIG.

光制御装置10に入射する光の波長λを、制御電圧VcntがローレベルVLのときの共振波長λ1と等しくなるように設定した場合、制御電圧VcntをローレベルVLからあるハイレベルVHに変化させると、共振波長λがλ1からλ2にシフトすることにより、光制御装置10の反射率RはR1からR2に変化する。 When the wavelength λ of light incident on the light control device 10 is set to be equal to the resonance wavelength λ m 1 when the control voltage Vcnt is at the low level VL, the control voltage Vcnt is changed from the low level VL to a certain high level VH. changing the resonance wavelength lambda m is by shifting from lambda m 1 to lambda m 2, the reflectance R of the light control device 10 is changed from R m 1 to R m 2.

ここで、光変調膜34に電界Eを印加しない場合を光制御装置10のオフ状態とよび反射率をRoffと、電界Eを印加した場合を光制御装置10のオン状態とよび反射率をRonとしたとき、Ron/Roffをオンオフ比と定義する。入射光の強度Iinが一定のとき、反射光の強度Ioutは、反射率Rに比例することになる。したがって、オンオフ比が大きい方が反射光の強度Ioutを精度よく制御でき、光の利用効率も高いことを意味する。   Here, when the electric field E is not applied to the light modulation film 34, the off state and the reflectance of the light control device 10 are Roff, and when the electric field E is applied, the on state and the reflectance of the light control device 10 are Ron. Ron / Roff is defined as the on / off ratio. When the intensity Iin of the incident light is constant, the intensity Iout of the reflected light is proportional to the reflectance R. Therefore, a larger on / off ratio means that the intensity Iout of the reflected light can be accurately controlled, and the light utilization efficiency is high.

共振波長λにおける光制御装置10の反射率Rは、第1反射層32での反射率R1および第2反射層40での反射率R2が近い程低くなる。したがって、上述のように、第2反射層40の誘電体多層膜の層数、材料を調節し、第1反射層32での反射率R1と第2反射層40での反射率R2を等しく設計することにより、オフ状態での反射率Rを低く設定し、オンオフ比を高くとることができる。 Reflectance R of the light control device 10 at the resonant wavelength lambda m is lower closer the reflectance R2 at the reflectance R1 and the second reflective layer 40 in the first reflective layer 32. Therefore, as described above, the number and material of the dielectric multilayer films of the second reflective layer 40 are adjusted, and the reflectance R1 in the first reflective layer 32 and the reflectance R2 in the second reflective layer 40 are designed to be equal. By doing so, the reflectance R in the off state can be set low and the on / off ratio can be made high.

このように、第1の実施の形態に係る光制御装置10においては、光変調膜34に印加する電界を変化させることにより、反射率を変化させ、反射光Ioutの強度を制御する光スイッチ素子を実現することができる。   As described above, in the light control device 10 according to the first embodiment, the optical switching element that changes the reflectance by changing the electric field applied to the light modulation film 34 and controls the intensity of the reflected light Iout. Can be realized.

第1の実施の形態に係る光制御装置10は、反射型の構成となっているため、入射光Iinを基板30を透過させる必要がない。その結果、従来の透過型の光制御装置に比べて、光の利用効率を向上することができる。また、光制御装置10では、反射率Rを制御することによって反射光の強度Ioutを変化させるため、偏向板や検光子を必要とせず、光の利用効率が高いという利点を有する。   Since the light control device 10 according to the first embodiment has a reflective configuration, it is not necessary to transmit the incident light Iin through the substrate 30. As a result, the light use efficiency can be improved as compared with the conventional transmission type light control device. Further, the light control device 10 has an advantage that the light utilization efficiency is high without requiring a deflecting plate or an analyzer because the intensity Iout of the reflected light is changed by controlling the reflectance R.

(第2の実施の形態)
図4は、第2の実施の形態に係る光制御装置100の断面図である。図4に示すように、第2の実施の形態に係る光制御装置100は、基板30と、第1反射層32と、光変調膜34と、透明電極36と、第2反射層102と、を備える。なお、第1の実施の形態と同一または対応する構成要素には同様の符号を付すと共に、重複する説明は適宜省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the light control apparatus 100 according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the light control apparatus 100 according to the second embodiment includes a substrate 30, a first reflective layer 32, a light modulation film 34, a transparent electrode 36, a second reflective layer 102, Is provided. Note that the same or corresponding components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.

第2の実施の形態に係る光制御装置100では、透明電極36上に形成する第2反射層102の構成が、第1の実施の形態に係る光制御装置10の第2反射層40とは異なる。第1の実施の形態に係る光制御装置10では、上述したように光制御装置10の共振波長λ周辺の波長帯域において、第2反射層40の反射率がほぼ一定となるように第2反射層40を形成した。 In the light control device 100 according to the second embodiment, the configuration of the second reflective layer 102 formed on the transparent electrode 36 is different from the second reflective layer 40 of the light control device 10 according to the first embodiment. Different. In the light control apparatus 10 according to the first embodiment, as described above, the second reflection layer 40 has the second reflectance layer so that the reflectance of the second reflection layer 40 is substantially constant in the wavelength band around the resonance wavelength λ m of the light control apparatus 10. A reflective layer 40 was formed.

第2の実施の形態に係る光制御装置100においては、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有するように第2反射層102を形成する。このような、所定の波長において反射帯と透過帯が急峻に切り替わるような反射特性を有するものは、エッジフィルタとよばれる。図5は、第2反射層102の反射特性を示す図である。図5において、λはエッジフィルタの中心波長である。図5に示すように、第2反射層102の反射特性は、波長λにおいて反射帯と透過帯とが急峻に切り替わっている。波長λは反射率Rが50%となるときの波長であり、カットオフ波長とよばれる。そして、光制御装置100では、第1反射層32と、光変調膜34と、透明電極36と、第2反射層102と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長λと、カットオフ波長λとが略同一になるように設定する。共振波長λと、カットオフ波長λとが略同一とは、両者の差が20nm以内であることをいう。 In the light control apparatus 100 according to the second embodiment, the second reflective layer 102 is formed so as to have reflection characteristics in which the reflection band and the transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength. Those having such reflection characteristics that the reflection band and the transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength are called edge filters. FIG. 5 is a diagram showing the reflection characteristics of the second reflective layer 102. In FIG. 5, λ 0 is the center wavelength of the edge filter. As shown in FIG. 5, the reflection characteristic of the second reflective layer 102, a transmission band is switched to steep the reflection band at the wavelength lambda c. The wavelength lambda c is a wavelength at which the reflectance R is 50%, referred to as cut-off wavelength. In the light control device 100, the resonance wavelength λ m of the Fabry-Perot resonator including the first reflection layer 32, the light modulation film 34, the transparent electrode 36, and the second reflection layer 102, and the cut and the off wavelength lambda c is set to be substantially the same. The fact that the resonance wavelength λ m and the cutoff wavelength λ c are substantially the same means that the difference between them is within 20 nm.

図4に戻り、第2反射層102の構成について説明する。図4に示すように、第2反射層102は屈折率の異なる2つの誘電体膜を積層した構成となっており、透明電極36側から、下端誘電体膜48、第1誘電体膜42、第2誘電体膜44、第1誘電体膜42、・・・(第1誘電体膜42と第2誘電体膜44の積層の繰り返し)・・・、第1誘電体膜42、第2誘電体膜44、第1誘電体膜42、上端誘電体膜46の順で積層されている。上端誘電体膜46、下端誘電体膜48および第2誘電体膜44は、同一の材料で構成され、第1誘電体膜42よりも屈折率の高い材料が用いられる。上端誘電体膜46、下端誘電体膜48および第2誘電体膜44の材料としては、Si(n=2.0)を用いることができる。また、第1誘電体膜42の材料としては、SiO(n=1.48)を用いることができる。 Returning to FIG. 4, the configuration of the second reflective layer 102 will be described. As shown in FIG. 4, the second reflective layer 102 has a structure in which two dielectric films having different refractive indexes are laminated. From the transparent electrode 36 side, the lower dielectric film 48, the first dielectric film 42, Second dielectric film 44, first dielectric film 42,... (Repeated stacking of first dielectric film 42 and second dielectric film 44), first dielectric film 42, second dielectric The body film 44, the first dielectric film 42, and the top dielectric film 46 are laminated in this order. The upper dielectric film 46, the lower dielectric film 48, and the second dielectric film 44 are made of the same material, and a material having a higher refractive index than that of the first dielectric film 42 is used. As a material for the upper dielectric film 46, the lower dielectric film 48, and the second dielectric film 44, Si 3 N 4 (n H = 2.0) can be used. Further, as the material of the first dielectric film 42, SiO 2 (n L = 1.48) can be used.

第1誘電体膜42の膜厚d1および第2誘電体膜44の膜厚d2は、図5において示したエッジフィルタの中心波長λの1/(4×n)倍となるように形成される。すなわち、第1誘電体膜42の膜厚d1は、d1=λ/(n×4)となるように、第2誘電体膜44の膜厚d2は、d2=λ/(n×4)となるように形成される。 The film thickness d1 of the first dielectric film 42 and the film thickness d2 of the second dielectric film 44 are formed to be 1 / (4 × n) times the center wavelength λ 0 of the edge filter shown in FIG. The That is, the film thickness d1 of the second dielectric film 44 is d2 = λ 0 / (n H ) so that the film thickness d1 of the first dielectric film 42 is d1 = λ 0 / (n L × 4). X4).

上端誘電体膜46の膜厚d3および下端誘電体膜48の膜厚d4は、中心波長λの1/(8×n)倍となるように形成される。すなわち、上端誘電体膜46の膜厚d3は、d3=λ/(n×8)となるように、下端誘電体膜48の膜厚d4は、d4=λ/(n×8)となるように形成される。 Thickness d4 of thickness d3 and lower dielectric layer 48 of the upper dielectric layer 46 is formed to be 1 / (8 × n) times the central wavelength lambda 0. That is, the film thickness d3 of the lower dielectric film 48 is d4 = λ 0 / (n H × 8) so that the film thickness d3 of the upper dielectric film 46 is d3 = λ 0 / (n H × 8). ).

カットオフ波長λにおける反射帯と透過帯の変化は、第2反射層102の誘電体膜の積層数が多くなるほど急峻になる。但し、積層数が多くなると、カットオフ波長周辺においてリップルが発生する場合があるので、このリップルを軽減するために、各誘電体膜の膜厚を微調整してもよい。 The change in the reflection band and the transmission band at the cutoff wavelength λ c becomes steeper as the number of dielectric films stacked in the second reflection layer 102 increases. However, if the number of stacked layers increases, ripples may occur in the vicinity of the cutoff wavelength. Therefore, the thickness of each dielectric film may be finely adjusted to reduce the ripples.

上述したように、第2の実施の形態においては、第2反射層102のカットオフ波長λと、第1反射層32、光変調膜34、透明電極36、第2反射層102から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長λとが略同一になるように設定する。共振波長λは、上述した(3)式によって定まる。(3)式において、共振波長λをカットオフ波長λとし、式を変形すると、(5)式のように表すことができる。

Figure 2007147934
ここで、(5)式におけるmは次数であり、正の整数であるから、共振波長λとカットオフ波長λが略同一になるような光変調膜34の膜厚tは、次数mによって定まる離散的な値となる。例えば、光変調膜34の屈折率n=2.3、レーザ光の入射角θ=0°、カットオフ波長λ=650nmであるとする。このとき、カットオフ波長λと共振波長λとが略同一となるためには、光変調膜34の膜厚tを、141nm(m=1)、283nm(m=2)、423nm(m=3)・・・と設定する必要がある。なお、上記の計算例においては、第1反射層32での位相変化量φ=1.0とし、t=55nmとしている。 As described above, the second embodiment includes the cutoff wavelength λ c of the second reflective layer 102, the first reflective layer 32, the light modulation film 34, the transparent electrode 36, and the second reflective layer 102. The resonance wavelength λ m of the Fabry-Perot resonator is set to be substantially the same. The resonance wavelength λ m is determined by the above-described equation (3). In the equation (3), when the resonance wavelength λ m is the cutoff wavelength λ c and the equation is modified, it can be expressed as the following equation (5).
Figure 2007147934
Here, m in the formula (5) is a degree and is a positive integer, and therefore the film thickness t of the light modulation film 34 such that the resonance wavelength λ m and the cutoff wavelength λ c are substantially the same is the order m. It becomes a discrete value determined by. For example, it is assumed that the refractive index n p of the light modulation film 34 is 2.3, the incident angle θ i of the laser light is 0 °, and the cutoff wavelength λ c is 650 nm. At this time, in order to cut-off wavelength lambda c and the resonance wavelength lambda m is substantially equal to the thickness t p of the light modulating film 34, 141nm (m = 1) , 283nm (m = 2), 423nm ( It is necessary to set m = 3). In the above calculation example, the phase change amount φ in the first reflective layer 32 is set to 1.0 and t i is set to 55 nm.

図6は、第2の実施の形態に係る光制御装置100の反射特性を示す図である。図6においては、第2の実施に実施の形態に係る光制御装置100の反射特性110の他に、比較用として第1の実施の形態に係る光制御装置10の反射特性112も示している。図6の反射特性110は、光変調膜34の膜厚t=283nm(m=2)、レーザ光の入射角θ=0°、第2反射層102の積層数を21層としたときの反射特性である。一方の比較用として示した第1の実施の形態に係る光制御装置10の反射特性112は、光変調膜34の膜厚t=283nm、レーザ光の入射角θ=0°、第2反射層40の積層数を7層としたときの反射特性である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the reflection characteristics of the light control apparatus 100 according to the second embodiment. In FIG. 6, in addition to the reflection characteristic 110 of the light control apparatus 100 according to the second embodiment, a reflection characteristic 112 of the light control apparatus 10 according to the first embodiment is also shown for comparison. . The reflection characteristics 110 in FIG. 6 are obtained when the film thickness t p of the light modulation film 34 is 283 nm (m = 2), the incident angle θ i of the laser light is 0 °, and the number of stacked second reflection layers 102 is 21. Is the reflection characteristic. On the other hand, the reflection characteristic 112 of the light control device 10 according to the first embodiment shown for comparison is as follows: the film thickness t p = 283 nm of the light modulation film 34, the incident angle θ i = 0 ° of the laser light, and the second This is a reflection characteristic when the number of layers of the reflective layer 40 is seven.

図6に示すように、反射特性110は、反射特性112と比較して、共振波長λの短波長側において急峻に反射率Rが変化していることが分かる。第2の実施の形態に係る光制御装置100においても、第1の実施の形態に係る光制御装置10と同様に、光変調膜34に電界を印加することによって共振波長λをシフトさせることができる。このとき、共振波長λは、図3を用いて説明したように共振波長が大きくなる方向にシフトするから、共振波長λより短波長側の反射率変化が急峻な第2の実施の形態に係る光制御装置100は、第1の実施の形態に係る光制御装置10よりもオン状態のときの反射率Ronが高くなる。すなわち、第2の実施の形態に係る光制御装置100は、第1の実施の形態に係る光制御装置10よりもオンオフ比が向上し、光の利用効率が改善する。 As shown in FIG. 6, the reflection characteristic 110, as compared with the reflective properties 112, it can be seen that steeply reflectance R is changed at the short wavelength side of the resonance wavelength lambda m. Also in the light control apparatus 100 according to the second embodiment, the resonance wavelength λ m is shifted by applying an electric field to the light modulation film 34 as in the light control apparatus 10 according to the first embodiment. Can do. In this case, the resonance wavelength lambda m is from shifts in the direction in which the resonance wavelength increases as described with reference to FIG. 3, the reflectivity change in the short wavelength side steep second embodiment than the resonance wavelength lambda m the form The light control apparatus 100 according to the above has a higher reflectance Ron when in the on state than the light control apparatus 10 according to the first embodiment. That is, the light control apparatus 100 according to the second embodiment has an on / off ratio that is higher than that of the light control apparatus 10 according to the first embodiment, and light utilization efficiency is improved.

図7は、第2反射層102の積層数と共振波長λのシフト量Δλの関係を示す図である。図7の縦軸は、光制御装置100をオン状態にしたときの共振波長λのシフト量Δλを表し、横軸は、第2反射層102の積層数を表す。なお、光変調膜34の膜厚t=283nm、レーザ光の入射角θ=0°と設定している。図7に示すように、第2反射層102の積層数が多くなるに従い、共振波長λのシフト量Δλが減る傾向がある。共振波長λのシフト量が減ると、オン状態のときの反射率Ronが小さくなるので、オンオフ比が低下してしまう。しかし、第2反射層102の積層数を少なくしすぎると、今度は共振波長λの短波長側での反射率変化の急峻さが失われるので、やはりオンオフ比が低下してしまう。このように、共振波長λのシフト量Δλと、共振波長λの短波長側での反射率変化の急峻さはトレードオフの関係にあるため、第2反射層102の誘電体膜の最適な積層数は実験的に定めてもよい。本発明者による実験によると、第2反射層102の誘電体膜の積層数が19層〜23層の範囲にある場合に、共振波長λのシフト量Δλと反射率変化の急峻さとのバランスがとれ、好適に高いオンオフ比を実現できたので、この範囲に定めてもよい。 Figure 7 is a diagram showing a relationship between the shift amount Δλ of the resonant wavelength lambda m the number of laminations of the second reflective layer 102. The vertical axis in FIG. 7 represents the shift amount Δλ of the resonance wavelength λ m when the light control device 100 is turned on, and the horizontal axis represents the number of stacked second reflective layers 102. The film thickness t p of the light modulation film 34 is set to 283 nm, and the incident angle θ i of the laser beam is set to 0 °. As shown in FIG. 7, in accordance with the number of stacked second reflective layer 102 is increased, there is a tendency to shift Δλ of the resonant wavelength lambda m is reduced. When the shift amount of the resonance wavelength lambda m is reduced, the reflectance Ron decreases when the on-state, on-off ratio decreases. However, if too small number of laminations of the second reflective layer 102, this time because the steepness of the change in reflectance at the short wavelength side of the resonance wavelength lambda m is lost, also on-off ratio decreases. Thus, the shift amount Δλ of the resonant wavelength lambda m, since the steepness of the change in reflectance at the short wavelength side of the resonance wavelength lambda m are in a trade-off relationship, the optimal dielectric film of the second reflective layer 102 The number of stacks may be determined experimentally. According to an experiment by the present inventor, when the number of laminated dielectric films of the second reflective layer 102 is in the range of 19 to 23 layers, the balance between the shift amount Δλ of the resonance wavelength λ m and the sharpness of the reflectance change. Therefore, a suitably high on / off ratio can be realized.

図8は、光変調膜34の膜厚を変化させた場合の光制御装置100の反射特性を示す図である。第2反射層102のカットオフ波長λを650nmとし、共振波長λが650nmとなるように光変調膜34の膜厚tを変化させている。第2反射層102の誘電体膜の積層数は21層とし、レーザ光の入射角θは、0°である。図8において、反射特性114は光変調膜34の膜厚t=283nm(m=2)のとき、反射特性116は、t=1415nm(m=10)のとき、反射特性118は、t=2830nm(m=20)のときの反射特性である。 FIG. 8 is a diagram illustrating the reflection characteristics of the light control device 100 when the thickness of the light modulation film 34 is changed. The cutoff wavelength lambda c of the second reflective layer 102 and 650 nm, and by changing the thickness t p of the light modulating film 34 so that the resonance wavelength lambda m is 650 nm. Lamination number of the dielectric film of the second reflective layer 102 was set to 21 layers, the incident angle theta i of the laser beam is 0 °. In FIG. 8, when the reflection characteristic 114 is the film thickness t p = 283 nm (m = 2) of the light modulation film 34, the reflection characteristic 116 is t p = 1415 nm (m = 10), and the reflection characteristic 118 is t This is the reflection characteristic when p = 2830 nm (m = 20).

図8から分かるように、共振波長λの短波長側の反射率の変化は、光変調膜34の膜厚tが厚くなるほど急峻になっている。よって、光変調膜34の膜厚tが厚いほど、共振波長λがシフトしたときの反射率変化が大きいことになり、光制御装置100のオンオフ比は向上することになる。 As can be seen from FIG. 8, the change in reflectance on the short wavelength side of the resonance wavelength lambda m is steeper as the thickness t p of the light modulating film 34 becomes thicker. Therefore, as the thickness t p of the light modulating film 34 is thick, the resonance wavelength lambda m is the reflectance changes when the shift is large, on-off ratio of the light control device 100 will be improved.

図9は、光制御装置100のオンオフ比と、光変調膜34の膜厚の関係を示す図である。図9の縦軸は、光制御装置100のオンオフ比を表す。横軸は、光変調膜34の膜厚tを次数mを用いて表している。(5)式に示すように、光変調膜34の膜厚tは次数mによって定まる離散的な値となり、次数mが増えるごとに光変調膜34の膜厚tは厚くなる。図9に示すように、光制御装置100のオンオフ比は、次数mに比例して、すなわち光変調膜34の膜厚tに比例して増加することが分かる。但し、光変調膜34の膜厚tが大きくなりすぎると、十分な屈折率変化を得るためにより大きな電界を印加しなければならなくなる。従って、次数mは、4≦m≦10程度の範囲とするのが好ましい。光変調膜の膜厚tを上記のように設定した場合、好適な印加電圧で高いオンオフ比を実現でき、光の利用効率を向上することができる。 FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the on / off ratio of the light control device 100 and the film thickness of the light modulation film 34. The vertical axis in FIG. 9 represents the on / off ratio of the light control device 100. The horizontal axis represents the thickness t p of the light modulating film 34 by using an order m. (5) As shown in equation, the thickness t p of the light modulating film 34 becomes a discrete value determined by the order m, the thickness t p of the light modulating film 34 in each additional the order m becomes thicker. As shown in FIG. 9, the on-off ratio of the light control device 100, in proportion to the degree m, i.e. it can be seen that increases in proportion to the thickness t p of the light modulating film 34. However, if the film thickness t p of the light modulating film 34 is too large, it will have to apply a large electric field in order to obtain a sufficient refractive index change. Therefore, the order m is preferably in the range of about 4 ≦ m ≦ 10. If the thickness t p of the light modulating film is set as described above, can achieve high with a suitable applied voltage OFF ratio, it is possible to improve the utilization efficiency of light.

以上のように、第2の実施の形態に係る光制御装置100では、第2反射層102の反射特性が、所定の波長において急峻に反射帯と透過帯とが切り替わるように形成し、この所定の波長が共振波長と略同一となるように設定することによって、共振波長がシフトしたときの反射率の変化が大きくなるようにすることができる。この結果、光制御装置100のオンオフ比が向上し、光の利用効率を向上することが出来る。   As described above, in the light control device 100 according to the second embodiment, the reflection characteristics of the second reflective layer 102 are formed so that the reflection band and the transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength. Is set to be substantially the same as the resonance wavelength, it is possible to increase the change in reflectance when the resonance wavelength is shifted. As a result, the on / off ratio of the light control device 100 is improved, and the light utilization efficiency can be improved.

図10(a)、(b)は、光制御装置がマトリクス状に配置された空間光制御装置を示す図である。図10(a)は、空間光制御装置8の平面図を示す。空間光制御装置8は、基板30上に8行8列の2次元状に配列された複数の画素20を備える。画素20は、20μm×20μm程度のサイズにて構成される。   FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a spatial light control device in which light control devices are arranged in a matrix. FIG. 10A shows a plan view of the spatial light control device 8. The spatial light control device 8 includes a plurality of pixels 20 arranged in a two-dimensional array of 8 rows and 8 columns on a substrate 30. The pixel 20 has a size of about 20 μm × 20 μm.

図10(b)は、図10(a)に示す空間光制御装置のA−A’線断面図を示す。1つの画素20が図4で示した光制御装置100に対応しており、光変調膜34などの構成要素については、光制御装置100と同一である。空間光制御装置8では、図10(b)に示すように、ビアおよび配線38を介して透明電極36が外部に引き出されている。配線38の材料としてはAlなどが好適に用いられる。配線38の上面には、さらに保護膜を形成してもよい。   FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of the spatial light control device shown in FIG. One pixel 20 corresponds to the light control device 100 shown in FIG. 4, and components such as the light modulation film 34 are the same as those of the light control device 100. In the spatial light control device 8, as shown in FIG. 10B, the transparent electrode 36 is drawn out via the via and the wiring 38. As the material of the wiring 38, Al or the like is preferably used. A protective film may be further formed on the upper surface of the wiring 38.

空間光制御装置8には、画素20ごとに制御部12から制御電圧Vcntが与えられ、画素20ごとに反射率を制御することができる。   The spatial light control device 8 is supplied with the control voltage Vcnt from the control unit 12 for each pixel 20, and can control the reflectance for each pixel 20.

空間光制御装置8を用いてさまざまな光変調システムを構成することができる。図11は、空間光制御装置8を用いたホログラム記録装置70を示す図である。ホログラム記録装置70は、発光部と、受光部と、空間光制御装置8とを備える。発光部は、レーザ光源72と、ビームエクスパンダ74とを備える。受光部は、フーリエ変換レンズ76と、記録媒体78とを備える。   Various light modulation systems can be configured using the spatial light control device 8. FIG. 11 is a diagram showing a hologram recording device 70 using the spatial light control device 8. The hologram recording device 70 includes a light emitting unit, a light receiving unit, and a spatial light control device 8. The light emitting unit includes a laser light source 72 and a beam expander 74. The light receiving unit includes a Fourier transform lens 76 and a recording medium 78.

ホログラム記録装置70において、レーザ光源72から発せられたレーザ光は、図示しないビームスプリッタで2つの光に分割される。このうち一方の光は、参照光として用いられ、記録媒体78内に導かれる。もう一方の光は、ビームエクスパンダ74でビーム径が拡大され、平行光として空間光制御装置8に照射される。   In the hologram recording device 70, the laser light emitted from the laser light source 72 is split into two lights by a beam splitter (not shown). One of these lights is used as reference light and guided into the recording medium 78. The other light is expanded in beam diameter by the beam expander 74 and irradiated to the spatial light control device 8 as parallel light.

空間光制御装置8に照射された光は、画素毎に異なる強度を有する信号光として空間光制御装置8から反射される。この信号光は、フーリエ変換レンズ76を通過してフーリエ変換され、記録媒体78内に集光される。記録媒体78内において、ホログラムパターンを含む信号光と参照光の光路とが交差して光干渉パターンを形成する。光干渉パターン全体が屈折率の変化(屈折率格子)として記録媒体78に記録される。   The light applied to the spatial light control device 8 is reflected from the spatial light control device 8 as signal light having different intensities for each pixel. This signal light passes through the Fourier transform lens 76 and is Fourier transformed and collected in the recording medium 78. In the recording medium 78, the signal light including the hologram pattern and the optical path of the reference light intersect to form an optical interference pattern. The entire optical interference pattern is recorded on the recording medium 78 as a change in refractive index (refractive index grating).

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。   The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.

実施の形態では、光制御装置100をホログラム記録装置70の空間光制御装置として用いる場合について説明したがこれには限定されず、表示装置、光通信用スイッチ、光通信用変調器、光演算装置、および暗号化回路等にも使用することができる。   In the embodiment, the case where the light control device 100 is used as the spatial light control device of the hologram recording device 70 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the display device, the optical communication switch, the optical communication modulator, and the optical calculation device are used. , And an encryption circuit.

第1の実施の形態に係る光制御装置の断面図である。It is sectional drawing of the light control apparatus which concerns on 1st Embodiment. 光制御装置の共振波長λmについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating resonance wavelength (lambda) m of a light control apparatus. 光制御装置に入射する光の波長λと反射率Rの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between wavelength (lambda) and the reflectance R of the light which injects into a light control apparatus. 第2の実施の形態に係る光制御装置の断面図である。It is sectional drawing of the light control apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2反射層の反射特性を示す図である。It is a figure which shows the reflective characteristic of a 2nd reflective layer. 第2の実施の形態に係る光制御装置の反射特性を示す図である。It is a figure which shows the reflection characteristic of the light control apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2反射層の積層数と共振波長λmのシフト量Δλの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the number of lamination | stacking of a 2nd reflective layer, and shift amount (DELTA) (lambda) of resonance wavelength (lambda) m. 光変調膜の膜厚を変化させた場合の光制御装置の反射特性を示す図である。It is a figure which shows the reflection characteristic of the light control apparatus at the time of changing the film thickness of a light modulation film. 光制御装置のオンオフ比と、光変調膜の膜厚の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the on-off ratio of a light control apparatus, and the film thickness of a light modulation film. (a)は、空間光制御装置の平面図を示す。(b)は、(a)に示す空間光制御装置のA−A’線断面図を示す。(A) shows the top view of a spatial light control apparatus. (B) shows the A-A 'line sectional view of the spatial light control device shown in (a). 空間光制御装置を用いたホログラム記録装置を示す図である。It is a figure which shows the hologram recording apparatus using a spatial light control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

8 空間光制御装置、 10 光制御装置、 12 制御部、 20 画素、 30 基板、 32 第1反射層、 34 光変調膜、 36 透明電極、 38 配線、 40 第2反射層、 42 第1誘電体膜、 44 第2誘電体膜、 46 上端誘電体膜、 48 下端誘電体膜、 60 制御部、 70 ホログラム記録装置、 72 レーザ光源、 74 ビームエクスパンダ、 76 フーリエ変換レンズ、 78 記録媒体、 100 光制御装置、 102 第2反射層。   8 spatial light control device, 10 light control device, 12 control unit, 20 pixels, 30 substrate, 32 first reflective layer, 34 light modulation film, 36 transparent electrode, 38 wiring, 40 second reflective layer, 42 first dielectric Film, 44 second dielectric film, 46 top dielectric film, 48 bottom dielectric film, 60 control unit, 70 hologram recording device, 72 laser light source, 74 beam expander, 76 Fourier transform lens, 78 recording medium, 100 light Control device, 102 second reflective layer;

Claims (11)

基板と、
前記基板上に設けられた第1の反射層と、
前記第1の反射層上に設けられ、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
前記光変調膜上に設けられた透明電極と、
前記透明電極上に設けられ、所定の波長において反射帯と透過帯とが急峻に切り替わる反射特性を有する第2の反射層と、
を備え、
前記第1の反射層と、前記光変調膜と、前記透明電極と、前記第2の反射層と、から構成されるファブリーペロー型共振器の共振波長と、前記所定の波長とが略同一になるように設定したことを特徴とする光制御装置。
A substrate,
A first reflective layer provided on the substrate;
A light modulation film provided on the first reflective layer, the refractive index of which varies according to the applied electric field;
A transparent electrode provided on the light modulation film;
A second reflection layer provided on the transparent electrode and having a reflection characteristic in which a reflection band and a transmission band are sharply switched at a predetermined wavelength;
With
The resonance wavelength of a Fabry-Perot resonator composed of the first reflective layer, the light modulation film, the transparent electrode, and the second reflective layer is substantially the same as the predetermined wavelength. A light control device characterized by being set to be
前記所定の波長をλと、前記光変調膜の屈折率をnと、前記透明電極の屈折率をnと、前記透明電極の膜厚をtと、当該光制御装置に入射する光の入射角をθと、前記透明電極から前記光変調膜に入射する光の入射角をθと、前記第1の反射層で反射する光の位相変化量をφと、mを次数としたときに、前記光変調膜の膜厚tが、
Figure 2007147934
となるように設定したことを特徴とする請求項1に記載の光制御装置。
Wherein the predetermined wavelength lambda c, the refractive index and n p of the light modulating film, the refractive index and n i of the transparent electrode, and a thickness t i of the transparent electrode, enters to the light control apparatus The incident angle of light is θ i , the incident angle of light incident on the light modulation film from the transparent electrode is θ p , the phase change amount of light reflected by the first reflective layer is φ, and m is the order when the thickness t p of the light modulating film,
Figure 2007147934
The light control device according to claim 1, wherein the light control device is set to be
次数mは、4≦m≦10の範囲の整数であることを特徴とする請求項2に記載の光制御装置。   The light control apparatus according to claim 2, wherein the order m is an integer in a range of 4 ≦ m ≦ 10. 前記第2の反射層は、屈折率の異なる複数の誘電体膜の積層構造を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光制御装置。   4. The light control device according to claim 1, wherein the second reflective layer has a laminated structure of a plurality of dielectric films having different refractive indexes. 5. 前記複数の誘電体膜の少なくとも1つは、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項4に記載の光制御装置。   The light control apparatus according to claim 4, wherein at least one of the plurality of dielectric films is a silicon oxide film. 前記複数の誘電体膜の少なくとも1つは、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項4または5に記載の光制御装置。   The light control apparatus according to claim 4, wherein at least one of the plurality of dielectric films is a silicon nitride film. 前記第2の反射層の誘電体膜の積層数は、19層以上かつ23層以下であることを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の光制御装置。   7. The light control device according to claim 4, wherein the number of stacked dielectric films of the second reflective layer is 19 or more and 23 or less. 8. 前記光変調膜は、印加した電界の2乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光制御装置。   The light control device according to claim 1, wherein the light modulation film is formed of an electro-optic material whose refractive index changes in proportion to the square of an applied electric field. 前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項8に記載の光制御装置。   9. The light control device according to claim 8, wherein the electro-optic material is lead zirconate titanate or lead lanthanum zirconate titanate. 当該光制御装置は、半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の光制御装置。   10. The light control device according to claim 1, wherein the light control device is formed on a semiconductor substrate. 請求項1から10のいずれかに記載の光制御装置と、
前記光制御装置に光を照射する発光部と、
当該光制御装置から出射される光を受ける受光部と、
を備えることを特徴とする光制御システム。
The light control device according to any one of claims 1 to 10,
A light emitting unit for irradiating light to the light control device;
A light receiving unit for receiving light emitted from the light control device;
A light control system comprising:
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